[发明专利]一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构

说明书

本发明公开了一种具有宽带吸声性能的亚波长多狭缝吸声超结构，综合利用了多孔吸声超结构、狭缝吸声超结构和F‑P共振吸声超结构的优点，表现出前所未有的优异大宽带超强吸声性能。进一步，折叠的狭缝通道相当于是对狭缝吸声体和F‑P共振结构的综合，可以获得亚波长的低频宽带超强吸声效果；而极薄的壁面保证了整个结构具有较高的空隙率。另外，通过在这种结构中引入嵌入式共振腔吸声体以产生离散的超低频吸声峰，并与多孔狭缝结构进行协同耦合，可以进一步将下限吸声频率降低至原来的1/5左右。本发明公开的吸声超结构兼具多孔材料的轻质和宽带优点，以及共振型声学超材料结构的低频亚波长优点，在很多工程领域具有重要的潜在应用价值。

技术领域

本发明属于吸声材料和结构设计领域，具体涉及一种具有宽带吸声性能的 亚波长多狭缝吸声超结构。

背景技术

噪声是一种在工业生产和生活环境中广泛存在的重要的环境污染，噪声的 衰减是一个永恒的研究话题。特别是近年来，随着城市化进程的加速，一方面， 现代机械和电子产品的类型越来越多，集成化和小型化的程度也越来越高，噪 声的类型越来越复杂，导致降噪的难度越来越大；另一方面，随着人们生活品 质的提升，对环境和产品的静音要求也越来越高，导致降噪需求日渐迫切。因 此，对于现代家用家电产品、以及飞机/高铁/汽车等交通工具而言，有效衰减噪 声，提高环境的声学品质，显得非常重要。在噪声衰减方法中，吸声是一种有 效的方法，特别是对于封闭空间而言，可以有效降低混响。吸声材料或结构可 以直接将声能转化为热能或弹性应变能而损耗掉，被广泛应用于各类厅堂和舱 室等封闭或半封闭空间中进行声场控制。传统的吸声材料有纤维多孔材料、泡 沫多孔吸声材料和微穿孔板吸声体等。然而，采用这些传统方案，只有厚度超 过波长的1/4时，才能实现有效吸声。此外，纤维多孔材料虽然宽带吸声性能较 好，但以玻璃棉纤维为代表的纤维多孔材料无法满足环保要求，且几乎所有纤 维多孔材料都无法承受力学载荷。早期的泡沫多孔材料如岩棉等也无法满足日 趋严苛的环保要求，而最新发展起来的很多种泡沫多孔材料虽然能够满足环保 要求，且很多也能够承受一定的力学载荷，但中低频段的吸声性能不佳。而微 穿孔板吸声体一方面低频吸声效果不佳，另一方面无法实现宽带吸声。

综上可知，由于传统吸声材料或结构只有达到一定厚度时，才能有效吸收 低频声波，在很多应用中无法满足尺寸限制和轻量化要求。超材料的发展为具 有亚波长厚度的低频吸声超结构设计提供了新的可能，激发了吸声超结构研究 的热潮。与传统材料和结构相比，超材料结构的最大特点是可设计性强，物理 性能往往比传统结构更加优异，且尺寸是亚波长的。这些优点使得其可以很好 的克服传统吸声材料和结构的不足，在各类工程领域具有重要的应用价值。吸 声超材料的结构类型很多，常用的有亥姆霍兹共振腔结构、共振薄膜/薄板结构、 F-P共振结构、迷宫结构、狭缝结构等，以及基于这些结构的组合或派生结构。

在超材料设计中，除了结构形式外，设计方法对实现优异的声学性能也起 着很关键的作用。通过不同的设计方法，对基本结构进行组合，可以大幅提升 结构的物理性能。总结而言，提升吸声性能或拓宽吸声带宽的结构设计方法有 如下几种。第一种方式也是最常用的一种方式是通过参数梯度分布的多个元胞 之间的并联式协同耦合，由每个元胞产生一个吸声峰，然后各元胞产生的吸声 峰连在一起，在很宽频带内维持较高的吸声系数。这种方式适用于大多数结构 形式，包括共振腔结构、共振薄膜结构、F-P共振结构、迷宫结构、狭缝结构。 如果每个元胞能够产生多个吸声峰，即高阶吸声峰，则可以通过多阶多元胞协同耦合进一步拓宽吸声带宽。另外，即便每个元胞的吸声峰幅值不是很高，通 过巧妙的组合设计，组合结构也能在很宽频带内实现超强吸声。第二种方式是 通过元胞间的强耦合相互作用，在一定频带内增加集成结构的共振模式数量， 从而增加吸声峰的数量，拓宽吸声带宽。第三种方式是通过不同类型的吸声超 结构之间进行并联式协同耦合，每类结构吸收一个频带的声波，实现不同吸声 频带的叠加。这些方案中，通过在共振结构表面布置具有微观结构特征的多孔 吸声材料或微穿孔板结构，可以提高阻抗匹配特性，降低吸声系数的波动幅度， 提高吸声性能。